Lúa mì tự cố định đạm mới có thể thay đổi nền nông nghiệp

Các nhà khoa học tại Đại học Califormia, Davis (UC Davis) đã tạo ra giống lúa mì có khả năng tự tạo một phần phân bón của chính nó bằng cách tiết ra hóa chất kích hoạt vi khuẩn cố định đạm trong đất. Nhờ sự hỗ trợ của hệ vi sinh này, cây có thể khai thác nguồn nitơ trong khí quyển, qua đó giảm nhu cầu sử dụng phân bón tổng hợp. Đột phá này hứa hẹn giảm ô nhiễm, giảm chi phí cho nông dân và tăng năng suất cho những vùng đất nghèo dinh dưỡng. Ngoài ra, kết quả nghiên cứu sẽ mở đường cho những tiến bộ tương tự ở các loại cây lương thực khác.

Lúa mì được biến đổi để tự tạo ra nguồn phân bón

Nhóm nghiên cứu do GS. Eduardo Blumwald tại UC Davis dẫn đầu, đã sử dụng công cụ chỉnh sửa gen CRISPR để tăng sản lượng hợp chất tự nhiên vốn có trong cây lúa mì. Hợp chất này khi được tiết ra nhiều hơn vào đất xung quanh, sẽ hỗ trợ vi khuẩn biến nitơ trong không khí thành dạng mà cây hấp thụ được. Đây là quá trình cố định đạm. Kết quả nghiên cứu được công bố trên Plant Biotechnology Journal.

Tác động tiềm năng đối với an ninh lương thực toàn cầu

Phát hiện nghiên cứu có thể cải thiện đáng kể mùa màng cho nhiều khu vực đang phát triển. GS. Blumwald cho rằng tại châu Phi, người dân không dùng phân bón vì không đủ tiền và các nông trại có quy mô nhỏ. Việc gieo trồng những giống cây có thể kích thích vi khuẩn tự tạo phân bón mà cây cần, là sự khác biệt rất lớn. Giống lúa mì này được phát triển dựa trên kết quả của của công trình trước đó trên cây lúa và các nghiên cứu mở rộng đang đánh giá ứng dụng của phương pháp mới đối với các loại ngũ cốc khác.

Thách thức từ phân bón

Lúa mì là cây lương thực lớn thứ hai thế giới và chiếm khoảng 18% lượng phân đạm sử dụng toàn cầu. Theo Tổ chức Nông, Lương Liên Hợp Quốc, năm 2020, thế giới sản xuất hơn 800 triệu tấn phân bón. Nhưng thông thường, cây chỉ hấp thụ được 30 - 50% lượng nitơ từ phân bón; phần còn lại chảy vào sông hồ, tạo thành các “vùng chết” hoặc phát thải khí nhà kính nitơ oxit.

Vượt qua rào cản sinh học

Vi khuẩn cố định đạm sử dụng enzyme nitrogenase, hoạt động được trong môi trường rất ít oxy. Cây họ đậu giải quyết vấn đề này bằng cách hình thành nốt sần rễ để bảo vệ vi khuẩn. Tuy nhiên, lúa mì và hầu hết cây lương thực khác không có nốt sần, buộc nông dân phải phụ thuộc vào phân bón tổng hợp.

Theo GS. Blumwald, nhiều thập kỷ qua, nỗ lực giúp ngũ cốc phát triển nốt sần hoặc đưa vi khuẩn cố định đạm vào rễ đều chưa thành công. Vì thế, nhóm nghiên cứu của ông đã lựa chọn hướng tiếp cận khác, không quá quan trọng đến vị trí của vi khuẩn, miễn là nitơ được cố định và đến được rễ cây.

Hướng tiếp cận mới hỗ trợ vi khuẩn cố định đạm

Nhóm nghiên cứu đã khảo sát 2.800 hợp chất tự nhiên của cây và tìm ra 20 hợp chất vừa có lợi cho cây vừa giúp vi khuẩn tạo màng sinh học. Lớp màng bảo vệ giúp duy trì môi trường ít oxy cho nitrogenase hoạt động. Sau đó, Sau đó, họ xác định cách thực vật sản sinh hợp chất này và gen nào điều chỉnh quá trình sản sinh chúng.

Nhờ có công cụ CRISPR, nhóm nghiên cứu đã tăng sản xuất apigenin, một loại flavone. Lượng apigenin dư thừa được rễ cây tiết ra, kích thích vi khuẩn trong đất tạo màng sinh học bảo vệ nitrogenase, nhờ đó vi khuẩn có thể cố định đạm và cung cấp cho cây. Trong điều kiện rất ít phân bón, giống lúa mì mới cho năng suất cao hơn mẫu đối chứng.

Lợi ích kinh tế lớn cho nông dân

Theo Bộ Nông nghiệp Mỹ, năm 2023, nông dân Mỹ đã chi gần 36 tỷ USD tiền phân bón cho khoảng 500 triệu mẫu đất trồng ngũ cốc. GS. Blumwald ước tính chỉ cần giảm 10% lượng phân bón sử dụng, đã tiết kiệm hơn 1 tỷ USD mỗi năm.

Vista.gov.vn